DE4435702A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Stickstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Stickstoff, wobei Luft verdichtet, gekühlt, gereinigt, wieder erwärmt und schließlich durch mindestens eine Separatorstufe geleitet wird.

Eine derartige Stickstofferzeugung ist in der älteren, nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung P 44 04 072.5 beschrieben. Dort wird mit einem durch Öleinspritzung ge­ kühlten Luftverdichter gearbeitet, wobei das Öl durch einen Wärmetauscher geleitet wird, der seinerseits zum Wiedererwärmen der gereinigten Luft dient.

Es wurde gefunden, daß diese Art der Stickstofferzeugung wirkungsgradmäßig verbesserungsfähig ist, und zwar unter gleichzeitiger Einsparung an apparativem Aufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mög­ lichkeit zur wirtschaftlicheren und apparativ einfacheren Stickstofferzeugung zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin­ dung dadurch gekennzeichnet, daß das Wiedererwärmen der gerei­ nigten Luft im Wärmeaustausch mit der verdichteten, zu kühlen­ den Luft durchgeführt wird.

Die im Verdichter entstehende Wärme wird also direkt auf die in die Separatorstufe einzuleitende Luft übertragen, was sehr viel günstiger ist als der Umweg über das im Verdichter benötigte Kühlöl. Auch sinkt dabei der erforderliche apparative Aufwand.

Vor allen Dingen bietet die Erfindung die Möglichkeit, ei­ nen Luftverdichter einzusetzen, der ohne Einspritzung von Kühl­ öl arbeitet. Dadurch entfällt der gesamte Kühlölkreis.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß bei Reduzierung der Leistung mindestens ein Teil der gekühlten, gereinigten Luft zur Verdichtung rezirkuliert wird. Dies ist deshalb besonders günstig, weil der nicht benö­ tigte Anteil der bereits gereinigten Luft nicht abgeblasen wer­ den muß sondern im Kreislauf geführt und bereitgehalten wird.

Vorzugsweise wird bei Einsatz von mindestens zwei Separa­ torstufen das Konzentrat aus mindestens einer der nachgeschal­ teten Separatorstufen, vorteilhafterweise das Konzentrat der letzten Separatorstufe zur Verdichtung rezirkuliert. Das Kon­ zentrat der ersten Separatorstufe besteht aus stark mit Sauer­ stoff angereicherter Luft, während das Permeat dieser Stufe be­ reits mit Stickstoff angereichert ist. Dementsprechend besteht das Konzentrat der nachgeschalteten Separatorstufen ebenfalls aus mit Stickstoff angereicherter Luft. Wenn diese, wie vorge­ schlagen, zur Verdichtung rezirkuliert wird, ergibt sich daraus eine beträchtliche Wirkungsgradsteigerung.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen von Stickstoff mit einem Luftverdichter, mindestens einem dem Luftverdichter nachgeschalteten Luftkühler, einem dem Luftkühler nachgeschalteten Kondensatabscheider, einer dem Kondensa­ tabscheider nachgeschalteten Heizeinrichtung und mindestens ei­ nem der Heizeinrichtung nachgeschalteten Separator, wobei diese Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Heizeinrichtung als Wärmetauscher ausge­ bildet und heißluftseitig zwischen den Luftverdichter und den Luftkühler geschaltet ist. Die gereinigte Luft wird also vor Eintritt in den Separator im Wärmeaustausch mit der aus dem Verdichter kommenden heißen Luft erwärmt, was energetisch gün­ stig und apparativ einfach ist. Die heiße Luft gibt bereits ei­ nen Teil ihrer Wärme ab, so daß der nachgeschaltete Luftkühler entsprechend kleiner dimensioniert sein oder unter Umständen sogar völlig entfallen kann.

Die Leistung des Luftverdichters ist an die Leistung des Separators angepaßt. Für den Fall einer Leistungsreduzierung ist die Vorrichtung in Weiterbildung der Erfindung gekennzeich­ net durch eine stromab des Kondensatabscheiders abzweigende, zur Ansaugseite des Luftverdichters führende ventilgesteuerte Luftrückführungsleitung, die zugeschaltet wird, wenn die Lei­ stung der Vorrichtung reduziert werden soll. Sie enthält hierzu vorteilhafterweise ein vom Auslaßdruck des Luftverdichters ab­ hängiges Ventil.

Vorzugsweise ist dem Separator eine verstellbare, von einer O₂-Sonde gesteuerte Drossel nachgeschaltet, die den Gegendruck des Separators und damit den Reinheitsgrad des Stickstoffs be­ stimmt und zu Eichzwecken mit der im Kondensatabscheider gerei­ nigten Luft beaufschlagbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, die O₂-Sonde eingangsseitig über ein Dreiwegeventil an eine Eich­ leitung anzuschließen, die stromauf des Magnetventils in der Luftrückführungsleitung mündet. Der Eichvorgang wird dann da­ durch eingeleitet, daß man das Dreiwegeventil umschaltet, so daß die O₂-Sonde nicht mehr an die Stickstoffleitung hinter dem Separator, sondern vielmehr an die Eichleitung angeschlossen ist und mit gereinigter Luft beaufschlagt wird. Vorzugsweise ist die O₂-Sonde ausgangsseitig über eine Meßgasrückführungs­ leitung mit der Ansaugseite des Luftverdichters verbunden, so daß das Meßgas (ob Eichgas oder Stickstoff) rezirkuliert wird.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß mindestens zwei Separatoren vorgesehen sind und daß der Konzentratauslaß mindestens eines der nachgeschalteten Separatoren, vorzugsweise der Konzentratauslaß des letzten Se­ parators über eine Konzentratrückführungsleitung mit der An­ saugseite des Verdichters verbunden ist. Das Konzentrat des nachgeschalteten Separators, bei dem es sich um mit Stickstoff angereicherte Luft handelt, wird also rezirkuliert, woraus eine Wirkungsgradsteigerung resultiert. Während des Eichens der O₂-Sonde wird die Konzentratrückführungsleitung unterbrochen.

Die Luftrückführungsleitung, die Konzentratrückführungslei­ tung und die Meßgasrückführungsleitung münden vorteilhafterwei­ se in einem dem Luftverdichter vorgeschalteten Luftfilter.

Ferner ist es vorteilhaft, daß der Luftverdichter einen Mo­ tor mit Gebläse aufweist und daß das Gebläse gegenüber dem Luftkühler angeordnet ist. Das Gebläse kühlt also nicht nur den Motor, sondern versorgt auch den Luftkühler mit Kühlluft. Der apparatetechnische Aufwand wird also minimiert.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch Kombinatio­ nen und Unterkombinationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den beiliegenden Ansprüchen abweichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Fließbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Demnach ist ein Luftverdichter 1 vorgesehen, dem ansaugsei­ tig ein Luftfilter 2 vorgeschaltet ist. Die verdichtete und dementsprechend erwärmte Luft wird durch einen Wärmetauscher 3 hindurchgefördert, dessen Funktion weiter unten erläutert wer­ den soll.

Aus dem Wärmetauscher 3 gelangt die immer noch heiße Luft zu einem Luftkühler 4, in dem sie unter den Taupunkt der kon­ densierbaren Verunreinigungen abgekühlt wird. Dementsprechend kann die Luft in einem nachgeschalteten Kondensatabscheider 5 gereinigt werden.

Die gereinigte Luft wird sodann durch den Wärmetauscher 3 geführt, in dem im Wärmeaustausch mit der aus dem Luftverdich­ ter 1 kommenden heißen, ungereinigten Luft eine Wiedererwärmung auf diejenige Temperatur stattfindet, bei der die Separation des Stickstoffs durchgeführt wird. Die Wiedererwärmung der Luft erfolgt also unter Einsatz der ohnehin vom Verdichter zur Ver­ fügung gestellten Wärme, und zwar mit hohem Wirkungsgrad und in apparativ sehr einfacher Weise.

Die wiedererwärmte Luft passiert anschließend eine erste Separatorstufe 6, die aus drei parallelgeschalteten Separatoren 7, 8 und 9 besteht. Daran schließt sich eine zweite Separator­ stufe 10 an, bestehend aus einem einzigen Separator 11.

Das Permeat des Separators 11, nämlich der erzeugte Stick­ stoff, wird sodann über eine verstellbare Drossel 12 einem Speicherbehälter 12′ zugeleitet.

Die verstellbare Drossel 12 dient dazu, den Reinheitsgrad des erzeugten Stickstoffs zu steuern. Hierzu arbeitet die Dros­ sel 12 in Abhängigkeit von einer O₂-Sonde 13, die über ein Dreiwegeventil 14 an eine Steuerleitung 15 angeschlossen ist. Letztere mündet in der Leitung zwischen dem Separator 11 und der verstellbaren Drossel 12.

Das Permeat der ersten Separatorstufe 6, das die zweite Se­ paratorstufe 10 speist, besteht aus mit Stickstoff angereicher­ ter Luft. Auch das Konzentrat der zweiten Separatorstufe 10 wird von mit Stickstoff angereicherter Luft gebildet. Dieses Konzentrat wird über eine Konzentratrückführleitung 16 dem Luftfilter 2 zugeführt und damit in den Prozeß rezirkuliert. Hieraus resultiert eine beträchtliche Wirkungsgradsteigerung.

Die Leistung des Luftverdichters 1 ist an die Leistung der Separatoren angepaßt. Für den Fall einer Leistungsreduzierung kann eine Luftrückführleitung 17 vorgesehen sein, die zwischen dem Kondensatabscheider 5 und dem Wärmetauscher 3 abzweigt und zum Luftfilter 2 führt. Der Durchsatz durch die Luftrückfüh­ rungsleitung 17 wird von einem Ventil 18 gesteuert, das in ein­ stellbarer Abhängigkeit vom Auslaßdruck des Luftverdichters ar­ beitet.

Hinter dem Kondensatabscheider 5 zweigt eine Eichleitung 20 ab, die zu dem Dreiwegeventil 14 führt. Sobald die O₂-Sonde 13 geeicht werden soll, wird das Dreiwegeventil 14 umgeschaltet. Die O₂-Sonde steht dann nicht mehr mit der Steuerleitung 15 in Verbindung, sondern mit der Eichleitung 20, aus der sie gekühl­ te und gereinigte Luft erhält.

Im übrigen ist die O₂-Sonde 13 über eine Meßgasrückfüh­ rungsleitung 21 an den Luftfilter 2 angeschlossen. Das Meßgas, sei es Stickstoff oder Eichgas, wird also in den Prozeß rezir­ kuliert.

Während der Eichung empfiehlt es sich, die Rückführung des Konzentrats der zweiten Separatorstufe 10 zum Luftfilter 2 zu unterbrechen. Hierzu ist die Konzentratrückführungsleitung 16 mit einem Absperrventil 22 in Form eines Dreiwegeventils verse­ hen.

Der Luftverdichter 1 weist einen Motor 23 auf, der mit ei­ nem Gebläse 24 ausgerüstet ist. Letzteres ist gegenüber dem Luftkühler 4 angeordnet und versorgt diesen mit Kühlluft.

Insgesamt ergibt sich eine apparativ sehr einfache Vorrich­ tung, die mit hohem Wirkungsgrad Stickstoff von vorgewählter Reinheit erzeugt.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglich­ keiten gegeben. So kann mit mehr als zwei Separatorstufen gear­ beitet werden. Auch ist die Anzahl und die Parallel- bzw. Rei­ henschaltung der Separatoren in jeder Stufe an die betriebli­ chen Erfordernisse anpaßbar. Sofern der Wärmetauscher 3 die aus dem Luftverdichter 1 kommende heiße Luft ausreichend stark ab­ kühlt, kann auf den nachgeschalteten Luftkühler 4 verzichtet werden. Andererseits können auch mehrere Luftkühler hinterein­ ander geschaltet werden. Bei einer optimalen Leistungsanpassung zwischen Verdichter und Separatoren kann auf eine Leistungsre­ gelung des Verdichters verzichtet werden. Im übrigen kommt für eine Leistungsregelung anstelle des Ventils 18 auch eine ein­ stellbare Drossel in Frage, ggf. in Kombination mit einem Magnetventil.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erzeugen von Stickstoff, bei dem Luft ver­ dichtet, gekühlt, gereinigt, wieder erwärmt und schließlich durch mindestens eine Separatorstufe geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wiedererwärmen der gereinigten Luft im Wärmeaus­ tausch mit der verdichteten, zu kühlenden Luft durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Reduzierung der Leistung mindestens ein Teil der gekühlten, gereinigten Luft zur Verdichtung rezirkuliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Einsatz von mindestens zwei Separatorstufen das Konzentrat aus mindestens einer der nachgeschalteten Separator­ stufen, vorzugsweise das Konzentrat der letzten Separatorstufe zur Verdichtung rezirkuliert wird.

4. Vorrichtung zum Erzeugen von Stickstoff, mit einem Luft­ verdichter (1), mindestens einem dem Luftverdichter nachge­ schalteten Luftkühler (4), einem dem Luftkühler nachgeschalte­ ten Kondensatabscheider (5), einer dem Kondensatabscheider nachgeschalteten Heizeinrichtung und mindestens einem der Heiz­ einrichtung nachgeschalteten Separator (7, 8, 9, 11), dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung als Wärmetauscher aus­ gebildet und heißluftseitig zwischen den Luftverdichter (1) und den Luftkühler (4) geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine stromab des Kondensatabscheiders (5) abzweigende, zur Ansaug­ seite des Luftverdichters (1) führende ventilgesteuerte Luftrückführungsleitung (17).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftrückführungsleitung (17) ein Ventil (18) enthält, das in Abhängigkeit vom Auslaßdruck des Luftverdichters (1) arbei­ tet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Separator (7, 8, 9, 11) eine verstell­ bare, von einer O₂-Sonde (13) gesteuerte Drossel (12) nachge­ schaltet ist und daß die O₂-Sonde zu Eichzwecken mit der im Kondensatabscheider (5) gereinigten Luft beaufschlagbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die O₂-Sonde (13) eingangsseitig über ein Dreiwegeventil (14) an eine Eichleitung (20) angeschlossen ist, die stromab des Kondensatabscheiders (5) abzweigt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die O₂-Sonde (13) ausgangsseitig über eine Meßgasrück­ führungsleitung (21) mit der Ansaugseite des Luftverdichters (1) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Separatoren (7, 8, 9, 11) vorgesehen sind und daß der Konzentratauslaß mindestens eines der nachgeschalteten Separatoren, vorzugsweise der Konzentrat­ auslaß des letzten Separators (11) über eine Konzentratrückfüh­ rungsleitung (16) mit der Ansaugseite des Verdichters verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftrückführungsleitung (17), die Kon­ zentratrückführungsleitung (16) und die Meßgasrückführungslei­ tung (21) in einem dem Luftverdichter (1) vorgeschalteten Luft­ filter (2) münden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter (1) einen Motor (23) mit einem Gebläse (24) aufweist und daß das Gebläse gegenüber dem Luftkühler (4) angeordnet ist.